Цифровой компенсационный фазометр

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидроакустике, дефектоскопии, измерениях дистанции и других областях науки и техники, где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпульсных сигналов (радиоимпульсов), которые разнесены либо смещены во времени относительно друг друга. Целью изобретения является расширение диапазона измерений и повышение точности. Цифровой компенсационный фазометр содержит два идентичных канала 1 и 2, каждый из которых выполнен в виде аналогового регистра 3 сдвига и переключателя 4, коммутатор 5, индикатор 6 нулевого фазового сдвига, синтезатор 7 частоты, вычислитель 8, цифровой индикатор 9 и два фильтра 10 и 11 нижних частот. В предложенном фазометре отсутствуют "мертвые зоны" и повышена его точность. Фазометр может быть использован для контроля параметров радиоимпульсных и локационных систем, работающих с фазированной антенной решеткой в области звуковых и ультразвуковых частот. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

151) 4 С 01 R 25/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4242285/24-21 (22) 08.05.87 (46) 15.04 .89, Бюл . 11"- !4 (72) А. И. Фендриков (53) 621,317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 488164, кл, С 01 R 25/08, 1972.

Авторское свидетельство СССР

1 - 759980, кл, G 0! R 25/08, 1978. (54) ЦИФРОВОЙ КОМПРНСАЦИОННЬЙ ФАЗОМЕТР (57 ) Изо 6ре тение о тно сит ся к измерив тельной технике и может быть использовано в гидроакустике, дефектоскопии, измерениях дистанции и других областях науки и техники, где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпуль оных сигналов (радиоимпульсов), которые разнесены либо смещены

ÄÄSUÄÄ 1472844 А1 во времени относительно друг друга, /

Целью изобретения является расширение диапазона измерений и повышение точности. Цифровой компенсационный фазометр содержит.два идентичных канала 1 и 2, каждый из которых выполнен в виде аналогового регистра 3 сдвига и переключателя 4, коммутатор

5, индикатор 6 нулевого фазового сдвига, синтезатор 7 частоты, вычислитель 8, цифровой индикатор 9 и два фильтра 10 и 11 нижних ча:тот. В предложенном фаэометре отсутствуют мертвые зоны и повышена его точность.

Фазометр может быть использован для контроля параметров радиоимпульсных и локационных систем, работающих с фазированной антенной решеткой в области звуковых и ультразвуковых частот.

2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1472844

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в гидро акустике, дефекто скопин, дальнометрии и других областях науки и техники, где необходимо измерять фазовый сдвиг двух радиоимпульсных сигналов (радиоимпульсов), которые разнесены либо смещены во времени друг относительно друга. 10

Цель изобретения — расширение диапазона измерений и повышение точно сти.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого фазометра; на 15 фиг, 2 — функциональная схема вычислителя; на фиг. 3 — функциональная сх ема син те з ато ра.

Цифровой компенсационный фазометр содержит два идентичных канала 1 и 20

2„ каждый из которых выполнен в виде

1 аналогового регистра 3 сдвига (APC) и переключателя 4, коммутатор 5, индикатор 6 нулевого фазового сдвига, синтезатор 7 частот, вычислитель 8, 25 цифровой индикатор 9 и два фильтра

10 и 11 нижних частот (ФНЧ). Канал

1 (2) имеет сигнальный вход 1.1 (2.1), первый 1,2 (2.2) и второй 1.3 (2.3) управляющие входы и выход 1.4 (2.4). 30

Канал 2 имеет также дополнительные выходы 2,5. Синтезатор 7 частоты имеет три входа 7.1-7.3 и четыре выхода 7.4-7. 7. Вычислитель 8 имеет входы 8,1-8.3 и выходы 8.4 и 8.5.

Вход 1.1 канала 1 соединен с входом

8. 1, вход 2. 1 — с входами 7. 3 и 8. 2, входы 1.3 и 2.3 — с выходом 7.5 синтезатора 7, выход 7.4- — с входом 1.2, выход 7.6 — с входом 2.2, выход 7. 7 —,10 с входом 8,3 вычислителя 8, выход

8.5 — с управляющим входом коммутатора 5, выход 8. 4 — с входом цифрового индикатора 9, выход коммутатора 5— с входом ФНЧ 10, выход 1.4 — с входом, 5

ФНЧ 11, входы нуль-индикатора 6 — с выходами ФНЧ 10 и 11, выходы нульиндикатора 6 — с входами 7.1 и 7. 2, выходы 2.4 и 2,5 — с входами коммутатора 5. В каждом канале, например втором, вход 2.1 соединен с сигнальным входом АРС, вход 2.2 — с объеди— ненными тактовым входом аналогового регистра 3, входом стробирования и вхоцным контактом переключателя 4, вход 2,". — с вторым входным контактом ереключателя 4, выход которого связан с входом считывания регистра

3. Связи выход 7.7 — вход 8.3, выхо-. ды 8.4 и 8.5 — входы цифрового индикатора 9 коммутатора 5 являются кодовьки шинами.

Вычислитель 8 содержит (фиг. 2) делитель 12 чисел, вычитатель 13, перемножитель 14 чисел, формирователь

15 импульсов, счетчик 16 с предустановкой и задатчик 17 кодов,; Делитель

12,вычитатель 13 и перемножитель 14 соединены последовательно и включены между входом 8.3 и выходом 8.4 вычислителя 8. Формирователь 15 установлен на входах 8.1 и 8.2 Счетчик

16 включен между выходом формирователя 15 и выходом 8.5, который подсоединен также к второму входу вычитателя 13. Выходы вадатчика 17 кодов подсоединены к вторым входам делителя 12, перемножителя 14 и счетчика 16, Синтезатор 7 содержит кодоуправляемые у;.;ножители 18 и 19 частоты, делитель 20 частоты, реверсивный счетчик 21 и задатчик 22 кодов. Умножители 18 и 19 включены между входом

7.3 и вьгходами 7.4 и 7.6> делитель

20 — между выходами 7.6 и 7.5, счетчик 21 — между входами 7.1 и 7.2 и выходом 7.7, последнии соединен также с кодовым входом умножителя 19..

Выходы задатчика 22 кодов соединены с кодовыми входами умножителя 18; делителя 20 и счетчика 21.

В основе работы фазометра лежит принцип совмещения во времени двух исходных несовпадающих во времени радиоимпульсов путем соответствующего регулиров ания (компенсвции) задержки одного из. них либо обоих одновременно. Такая возможность имеет место при выполнении каждого канала фаэометра в вице аналогового регистра сдвига.

Цифровой фазометр реализует ком пенсационный метод измерения фазово го сдвига двух входных сигналов и имеет два режима работы — без (первый) и с преобразованием частоты входных сигналов.

Рассмотрим работу фазометра в первом режиме (переключатель 4 находится в положении, показанном на фиг. 1), На сигнальный вход канала 1 поступает входной радиоимпульс 11, (t), а на вход канала 2 — Ь (t). Пусть радиоимпуль сы имеют одинаковую длитель" ность смещения во времени, т. е. имеют вид

1 472844

Б1П(Я (t — t ) С>) ПРИ t СП Р

О, при остальных

sin j (t-tz) — (P ), при t c t(< +t

О, при о стальных где t t2 — моменты времени, соответствующие началам первого и второго радиоимпульсов, причем У = 2 « F — угловая частота колеба- 15 ния, заполняющего радиоимпульсы.

Измерению подлежит кумулятивный фазовый сдвиг радиоимпульсов, т.е. величина, равная разности аргументов, 20 т.е.-(=у (t -t, ) + (ц>, — g, ) . .Для простоты последующих математических выкладок пусть n < — число разрядов аналогового регистра сдвига, N< число отводов регистра 3, и,> — число 25 разрядов между отводами, f 2 — частота следования импульсов на выходе 7.6 синтезатора и интервал (С -t <) удовлетворяют соотношениям и, = n ° N, f 2 К2 F (К2 Целое число ) no

= К2, (t 2 — t, ) F = N — целое число.

В первом такте осуществляется компенсация кумулятивного фазового сдвига (временного смещения огибающих радио импульсо в ) r руб о, с точно стью, 35 например, до одного периода заполнения, т. е . до Т = 1/F . В вычислителе путем подсчета периодов 1/F измеряется интервал t †. t,, т.е. определяется число N. Коммутатор 5 под дейст- 40 вием кодового сигнала N -N с выхода

sin (2FF(t — r. и )-ц), ПРП и, с Р Ри + Р

О, при остальных

sin j2«F(t-С2,) (рД при t2< а tit2, + <.

U2, (t) =

О, при остальных где К, = f,/F °

Аналогично для сигнала на другом входе индикатора 6= 2 Ft«+ Ч = 21 Р < +

+2Р N+ и 2/K2 + (Р2 гдето« =t, +n/f,;

После подстановки t 2 = t, + N/F в получают 2< = t < + N/F + nò,/f2.

Подставляя t„U«(t) и отбрасывая осцилирующий член, получают начальную фазу у, сигнала U,„ (t) . на входе индикатора 6, т.е.

8.5 вычислителя подсоединяют вход фильтра 10 к (N <-N)-му отводу регистра 3, для которого число разрядов равно п2 = п, — K N. Синтезатор 7 в первом такте вырабатывает по выходу

7.4 >импульсы, следующие с частотой

f 1 = f . Импульсы с выходов 7.4 и

7.6 поступают на первые тактовые входы 1.2 и 2.2 каналов. В первом такте вход стробирования (записи), тактовый вход и вход считывания регистра

3 объединены и подключены к первому тактовому входу канала.

Под действием тактовых импульсов в регистр каждого канала записывает-. ся, продвигается к выходу .и считывается на выходы входной радиоимпульс, Работа регистра 3 аналогична работе цифрового регистра сдвига с той разницей, что в нем циркулир >ют не О

11 1< и "1", а зарядовые пакеты, пропорциональные выборкам входного сигнала в моменты действия импульсов на входе стробнрования, Таким образом, на выходах каналов (выход последнего n —

ro для регистра канала 1 и выход n—

2 го для регистра канала 2) формируются ступенчатые копии входных радиоимпульсов, первые гармоники которых на выходах фильтров 11 и 10 имеют вид (без учета задержек в ФНЧ) ." (2«ft«+cg,) =2 «Р < + ч<

+ 2< п /К, +ч<>

1472844

Фазовый сдвиг задержанных сигналов

4 — 4 4, — 2 ii N + 2 и (n /Ê п4/K0 1 ) + (сРХ Ч1 ) или Q = 9 + Q, где (, — коммулятивный фазовый сдвиг исходных радиоимпульсов, а (е < = 27 (n /Ê вЂ” n,/К,„)— разность набегов фаз радиоимлульсов в каналах фазометра.

Подставляя n< — — и, — 11К и К

К О1 получают V = С я ц (-2Т N.

Таким образом, в первом такте выполняется грубая компенсация коммулятивного фазового сдвига исходных радиоимпульсов с точностью до 2 т. е . составляющая 2 N коммулятивного фазового сдвига, во втором такте — полная компенсация фазового сдвига путем изменения частоты 11 .

Индикатор 6 вследствие периодичности своей характеристики. реагирует на разность фаз в пределах Π— 2 7, r.е, в данном случае на 4 = 27 N +

+ 2Ф(n2/K n /к „) + ((h Ч, ) °

Поскольку g>О, то индикатор 6 по одному из выходов вырабатывает импульсный сигнал, под действием которого в синтезаторе изменяется частота

Изменение f рав но сильно измене нию коэффициента К„, в выражении для 4

Разность фаэ начинает уменьшаться.

Как только g становится равным нулю, регулярное поступление импульсов с одного иэ выходов нуль-индикатора прекращается. При этом частота f

Фиксируется, а Ко, принимает значение Ко, = Ке. Подставляя в выражение для (р значение К О1 = К, и приравнивая (нулю, получают условие полной компенсации фазы входных радиоимпульсов, т.е. 2 i (n /К вЂ” и, /К,) = -9 .

В соответствии с этим выражением вы" числитель определяет искомую разность фаз (P . Всякое изменение сдвига фаэ входных радиоимпульсов фазометра приводит к изменению К и и а следовательно, и показаний вычислителя 8, Результат вычисления поступает на цифровой индикатор 9. Фиг. 2 иллюстрирует процесс компенсации для случая, когда (р, = n /5, Ц> = 3 и /5, K2 =20, N= 1, и, =40.

Е0

8о втором режиме фазометр обеспечивает преобразование основной частоты входных сигналов. Переключатели .4 в каналах в этом режиме устанавливаются в положение, противоположное указанному на фиг. l . При этом короткие импульсы с дополнительного выхода 7.5 синтезатора поступают на входы считывания регистра 3. Частота коротких импульсов выбрана отличающейся от частоты F заполнения радио импульсов путем деления частоты fq в К> раэ, не равное К, например К

= К + 1. Также как и в первом режиме в каждом регистре под действием импульсов, действующих на их входе стробирования и тактовом входе, выполняется дискретизация и одновременно задержка входного радиоимпульса. Однако на выходные разряды регистра (которые снабжены устройствами выборки и хранения) проходят только те выборки сигнала, которые совпа25 дают с моментом действия коротких импульсов. Поскольку эти моменты смещаются по отношению к каждой К -й выборке (так как F, F), то выходной радиоимпульс формируется из С (К +

З0 + 1)-х выборок, где С = 0,1,2,3,..., т.е. на разностной частоте (F,,-F).

В первом режиме выходной сигнал формировался из всех выборок входного сигнала, так как частоты следования

85 жчпульсов, поступающих на входы стробирования и считывания, были одинаковы и равны f .

Входящие в состав фазометра синте1

40 затор 7 и вычислитель 8 работают следующим образом.

В вычислителе 8 вычисляется значение куммулятивного фазового сдвига в соответствии с формулой — ( — 2Ф (N, — И вЂ” n,/К, ), к которому приводится выражение для 1,. В начале первого такта в счетчики 16 и 21 записываются числа N> и К соответственно, а формирователь 15 устанавливается в положение, при котором на и и его выходе присутствует уровень

С приходом радиоимпульсов на входы

8.1 и 8.2 вычислителя 8 на выходе формирователя 15 формируется. видеоимпульс длительностью (t -t,}. Этот видеоимпульс поступает на вход Ч2 счетчика 16. При этом импульсы с вхо.да 8.1 уменьшают код N< записанный в начале первого такта в счетчик 16, 7 1472844 8

Таким образом, по окончании видеоимпульса с выхода формирователя 15 (t t ) в счетчике оказывается запи2 санным число (N „— N) которое поступает на выход 8.5 и цифровую схему вычитателя 13, На другой вход вычитателя 13 поступает код отношения и, /К с выхода делителя 12, Полученная на выходе вычитателя 13 разность Н, -И вЂ” n /К, умножается на 2 в перемножителе 14 чисел и поступает на выход

8.4 вычислителя. Синтезатор 7 частот вырабатывает импульсы, следующие с

f K f2 K2F F !5

= K F /K . Первые формируются в умно— г жчтелях 18 и 19 путем умножения частоты F сигнала на входе 7.3 в Х, раз (кодовый сигнал на выходе реверсивного счетчика 21) и в Кг = const раз. 20

Третий выходной сигнал синтезатора формируется с помощью делителя 20 путем деления частоты f2 сигнала на выходе 7.6. Кодовый сигнал К< на выходе 7.7 получается с помощью ревер- 25 сивного счетчика 21. Под действием импульсов, поступающих с входов 7.1 и 7.2 синтезатора 7 на входы суммирования (+) и вычитания (-) счетчика

21, число Кг, записанное в счетчик в начале такта, уменьшается либо увеличивается в зависимости от знака фазового сдвига входных сигналов индикатора 6. При положительном фазовом сдвиге импульсы поступают на вычитающий вход счетчика 21, а число, за—

35 писанное в счетчике, уменьшается .

Код этого уменьшающегося числа, поступая с выхода счетчика на кодовый вход умножителя 19, уменьшает часто:ту f, его выходного сигнала, что уменьшает фазовый сдвиг входных сигналов нуль-индикатора 6. Этот процесс заканчивается в момент равенства (р = О, что соответствует полной 45 компенсации фазового сдвига . При этом импульсы с входов 7.1 и 7.2 начинают равновероятно поступать на оба счетных входа реверсивного счетчика

21. При этом число К, на его выходе

50 сохраняется практически неизменным.

Всякое изменение фазового сдвига 4 в ту или иную сторону приводит к противоположному изменению числа К аналогично, описанному.

Диапазон perулирования фазы пред55 лаг аемого фазоме тра составляет 4>

-, 32Ф, для прототипа диапазон g равен 2 . Предлагаемый фаз ометр имее т также существенно меньшую фазовую погрешность от неидентичности каналов. Это гарантировано тем,, что оба канала выполняются в одном кристалле интегральной микросхемы по единой технологии.

Фазометр компенсационного типа обладает также рядом преимуществ по сравнению с фазометром прямого преобразования (например триггерным) э1о отсутствие "мертвых зон", большая точность .и т.д. L -"ëåcooáðàçío его использование для контроля фазовых параметров радиоимпульсных и локационных систем с использованием фазированной антенной решетки в области звуковых и ультразвуковых частот.

Фо рмула из о бретен ия

1. Цифровой компенсационный фазометр, содержащий цифровой индикатор, первый и второй каналы, каждый из которых имеет сигнальный вход, являю шийся входом фазометра, и два управляющих входа, первый и второй фильтры нижних частот, выходы которых подсоединены к входам нуль-инцикатора, а вход первого фильтра ah,,,их частот — к выходу первого канала, блок регулирования, первый и второй выхо"-. ды которого подсоединены к первым управляющим входам "îîòâåòñòâåííî первого и второго каналов, а вход.соединен с выходами нуль-индикатора, о тлич ающийся тем, что, сцелью расширения диапазона измерений и повышения точности, в него ввецены вычислитель и коммутатор, выход которого подсоединен к входу второго фильтра нижних частот, блок регулирования выполнен в виде синтезатора частот, дополнительный вход которого подсоединен к сигнальному входу одного из каналов, а выход — к объединенным вторым управляющим входам обоих каналов соответственно, при этом выходы второго канала подключены соответственно к аналоговым входам коммутатора, первый, второй и третий входы вычислителя подключены соответствечно к сигнальным входам каналов и третьему выходу синтезатора, а первый и второй выходы соединены с циф= ровым индикатором и с кодовым входом коммутатора соответственно, при этом каждый канал выполнен в виде переключателя, подсоединенного к управляющим

1472844

Составитель А. Старостина

Редактор Л. Пчолинская Техред A. Кравчук Корректор 8, романенко

Заказ 1705/45 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101 входам канала и многоразрядного аналогового регистра сдвига, выходы от промежуточного и последнего разрядов которого являются выходами канала со5 о тве т стве н но, сиги аль ный и о бъе дине нные первый и второй управляющие входы являются сигнальным и первым управлякщим входами канала, а третий управляющий вход подсоединен к выходу переключателя.

2. Фазометр по п. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что синтезатор частот выполнен в виде двух кодоуправляемых умножителей частоты и реверсивного счетчика, выходы которых явля. ются выходами синтезатора, причем два импульсных входа реверсивного счетчика и объединенные импульсные входы кодоуправляемых умножителей частоты подсоединены к соответствующим входам синтезатора, кодовый вход первого кодоуправляемого умножителя частоты подсоединен к выходу реверсивного счетчика, а кодовые входы второго ум- 25 ножителя частоты и реверсивного счетчика соединены с первым задатчиком кода, при этом выход второго кодоуправляемого умножителя частоты соединен также с входами делителя частоты, выход которого является выходом синтеза тора.

3. Фазометр по и. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что вычислитель выполнен в виде двухвходовых делителя, вычитателя и перемножителя чисел, включенных последовательно между третьим входом и первым выходом вычислителя, а также формирователя импульсов, входы которого подсо единены к первым входам вычислителя и счетчика с предустановкой, выход которого подсоединен к второму выходу синтезатора и второму входу вычитателя, а его первый и второй входы подключены к выходу и одному из входов формирователя импульсов, причем вторые кодовые входы делителя и перемножителя и вход предустановки счетчика подсоединены к выходам второго задатчика кодов.